電力電子在電網(wǎng)中的應(yīng)用

徐國林

摘 要：由于我國能源分布的特點(diǎn)，導(dǎo)致我國電網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，大容量遠(yuǎn)距離輸送電力將是我國電力發(fā)展的長期需求。隨著電力需求的增加，未來的電網(wǎng)將逐步轉(zhuǎn)變?yōu)樗?、煤電、大?guī)模風(fēng)電和荒漠太陽能電力外送并重的格局。而電力電子作為電能轉(zhuǎn)換的核心，在電網(wǎng)應(yīng)用中占有重要地位。本文圍繞電網(wǎng)發(fā)展?fàn)顩r、特點(diǎn)和未來發(fā)展趨勢(shì)各方面，淺析了電力電子在電網(wǎng)中的應(yīng)用，并對(duì)電力電子的發(fā)展做了展望。

關(guān)鍵詞：電網(wǎng)；電力電子；能源結(jié)構(gòu)；新材料

1.電網(wǎng)發(fā)展趨勢(shì)

1.1我過電網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)狀

我國電網(wǎng)由國家電網(wǎng)和南方電網(wǎng)構(gòu)成，其中國家電網(wǎng)分5個(gè)區(qū)域電網(wǎng)和跨區(qū)域交直流輸電系統(tǒng)，供電范圍包括 26個(gè)省(區(qū)、市)、840多萬km2 ，可見我國電網(wǎng)所覆蓋的面積相當(dāng)廣闊。但是我國仍是一個(gè)發(fā)展中國家，電網(wǎng)無論在總體規(guī)模和技術(shù)水平方面與發(fā)達(dá)國家先比，都有較大差距：電網(wǎng)結(jié)構(gòu)薄弱，電氣主設(shè)備和線路故障率高；部分電網(wǎng)電源供應(yīng)緊張，應(yīng)付突發(fā)事件的運(yùn)行備用不足甚至無備用[1]。

1.2我國電網(wǎng)的特點(diǎn)

從我國能源資源和生產(chǎn)力分配的格局可以看出，我國煤炭、風(fēng)能、太陽能等資源主要集中于華北、西北，水力資源主要集中于西藏、華中地區(qū)。然而我國的經(jīng)濟(jì)中心主要集中于東部沿海地區(qū)[2]?？梢钥偨Y(jié)出我國能源資源與能源需求呈逆向分布，而且未來大規(guī)?？稍偕茉吹陌l(fā)展將進(jìn)一步加重這一局面，這就需要在全國范圍優(yōu)化配置能源資源。電網(wǎng)作為電力傳輸?shù)妮d體，將在能源資源優(yōu)化配置中將起到十分重要的作用。

因此，發(fā)展遠(yuǎn)距離大容量輸電技術(shù)和可再生能源并網(wǎng)技術(shù)，是轉(zhuǎn)變我國能源發(fā)展方式的關(guān)鍵性技術(shù)之一，是國家重大戰(zhàn)略的需求[3]。

1.3我國電網(wǎng)發(fā)展展望

我國未來將全力發(fā)展新一代電網(wǎng)，它將具有大容量、遠(yuǎn)距離和跨區(qū)域電能輸送的特征。這就要求我們采用新技術(shù)，屆時(shí)電力電子裝備將成為大幅提升未來電網(wǎng)輸送能力的關(guān)鍵裝備之一。并且，隨著新能源發(fā)展戰(zhàn)略的深入推進(jìn)，新能源電站和分布式新能源發(fā)電設(shè)備廣泛接入電網(wǎng)，電力電子系統(tǒng)成為新能源發(fā)電關(guān)鍵部件和新一代電網(wǎng)間的核心接口裝備。此外，我國90%以上的電能都由電機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)生，而且60%以上的電能是由電機(jī)系統(tǒng)消耗。因此，通過提升電力電子技術(shù)來提高能源電力利用效率，也是國家的重大需求之一。因此，大力發(fā)展電力電子技術(shù)，對(duì)于構(gòu)建我國堅(jiān)強(qiáng)可靠、經(jīng)濟(jì)高效、清潔環(huán)保、透明開放、友好互動(dòng)的新一代智能電網(wǎng)架構(gòu)，具有重大戰(zhàn)略意義和應(yīng)用需求。

2．電力電子的技術(shù)的新動(dòng)態(tài)

現(xiàn)代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，開創(chuàng)了現(xiàn)代電力電子技術(shù)的新時(shí)代?；诎雽?dǎo)體材料的電力電子器件是電力電子技術(shù)的基石，是控制電能產(chǎn)生、傳輸、轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)的核心，世界上超過70%的電能輸送通過電力電子器件控制。電力電子技術(shù)是當(dāng)今世界的研究最熱、發(fā)展最快的技術(shù)之一。大規(guī)模新能源的開發(fā)和利用使得發(fā)電形式發(fā)生了根本性的轉(zhuǎn)變，電力電子技術(shù)在其中發(fā)揮著非常重要的作用。

柔性輸電技術(shù)、無功補(bǔ)償技術(shù)、電能質(zhì)量治理等都屬于電力電子技術(shù)的應(yīng)用。幾乎電力系統(tǒng)的發(fā)、輸、配、用各環(huán)節(jié)都離不開電力電子技術(shù)。我國每年消耗的電能用于電機(jī)拖動(dòng)的約有60%，大量的電機(jī)需要通過變頻器控制實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗，電力電子技術(shù)在變頻器領(lǐng)域的應(yīng)用同樣具有非常廣闊的前景。

電力電子器件是現(xiàn)代電力電子技術(shù)的核心，它作為能源轉(zhuǎn)換裝置最基礎(chǔ)的元件之一，決定著系統(tǒng)的整體性能。電力電子器件性能的好壞，將直接影響整個(gè)能源轉(zhuǎn)換裝置的轉(zhuǎn)換效率。這就要求電力電子器件耐壓更高、容量更大、開關(guān)速度更快、耐熱性能更好。面對(duì)電網(wǎng)對(duì)電力電子技術(shù)的新要求，電子電子的相關(guān)產(chǎn)業(yè)提出了各種應(yīng)對(duì)策略。

3.新型半導(dǎo)體材料在電力電子中的應(yīng)用

傳統(tǒng)Si半導(dǎo)體電力電子器件可滿足電力電子裝置在功率大、工作速度快、通態(tài)電阻小等情況，但已接近寄生二極管制約而能達(dá)到的材料極限。因此必須通過其他方式來增加耐壓和耐流。

20世紀(jì)90年代，低微管缺陷密度的SiC寬禁帶半導(dǎo)體材料有了新突破。寬禁帶材料的產(chǎn)生使半導(dǎo)體器件低漏電、高工作溫度和抗輻照等性能得到改善，寬禁帶半導(dǎo)體SiC具有比Si高一個(gè)量級(jí)的臨界擊穿電場(chǎng)，意味著SiC電力電子器件的關(guān)斷漂移層能更薄，具有更高的摻雜濃度，也使和Si材料的同等器件相比寬禁帶材料器件具有低一個(gè)量級(jí)的導(dǎo)通電阻；更高的載流子飽和速度導(dǎo)致更高的工作頻率; 更高的熱導(dǎo)率將改善熱耗散，使器件可工作在更高的功率密度。

作為第三代的半導(dǎo)體材料，SiC具有帶隙寬、熱導(dǎo)率高、電子的飽和漂移速度大、臨界擊穿電場(chǎng)高和介電常數(shù)低、化學(xué)穩(wěn)定性好等特點(diǎn), 在高頻、大功率、耐高溫、抗輻照的半導(dǎo)體器件及紫外探測(cè)器等方面具有廣泛的應(yīng)用前景。

GaN也是寬禁帶材料中重要的一員。SiC和GaN由于獨(dú)特晶體結(jié)構(gòu)，具有工作溫度很高，熱導(dǎo)率高，硬度高，電子飽和漂移速度高，擊穿電場(chǎng)高等特點(diǎn)。使它們將在未來半導(dǎo)體發(fā)展中占有重要地位。國外已經(jīng)對(duì)此種半導(dǎo)體材料進(jìn)行了深入研究。

4.總結(jié)

經(jīng)過20多年的發(fā)展，在降低電力設(shè)備體積和成本以及提高效率等方面，電力電子技術(shù)已經(jīng)成為主要手段。在電力輸配電系統(tǒng)中，電力電子技術(shù)在效率和成本方面能夠完成傳統(tǒng)技術(shù)所不能提供的技術(shù)支持。在未來電網(wǎng)發(fā)展中電力電子技術(shù)將發(fā)揮越來越重要的作用。

由于我國能源與負(fù)荷逆向分布的特點(diǎn)，導(dǎo)致我國電網(wǎng)面臨著諸多問題，這些問題的解決都寄希望與半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展。高性能功率半導(dǎo)體器件的出現(xiàn)將給電網(wǎng)發(fā)展掃平道路。

參考文獻(xiàn):

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